CN108246025B - 利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，该方法的步骤如下：将胺基功能离子液体和有机醇胺溶液互溶，配成复配溶液；所述复配溶液通入雾化装置雾化，分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相；将含尘二氧化碳气体引入雾化降尘吸收装置；使步骤中产生的液相分散液滴与含有粉尘的二氧化碳气体相接触，雾化液滴加速降尘，排出处理后的气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种含尘二氧化碳气体的处理方法。
背景技术
二氧化碳的大量排放是引起温室效应的主要原因，并已经对人类的生存环境造成了极大的威胁。目前我国二氧化碳的排放量居世界第一，因此降低二氧化碳的大气排放已经迫在眉睫。由于我国燃煤过程中二氧化碳排放量对总碳排放量的贡献率超过80%，而其中单燃煤发电产生的二氧化碳量就约占二氧化碳排放量的50%，所以必须要对燃煤电厂中的烟气进行脱碳处理，以达到我国二氧化碳减排要求。在现有的二氧化碳捕集技术中，有吸收法，膜分离法，吸附法，生物法，深冷法等，其中能够实现广泛工业化应用的仍然是吸收法,开发新型高效的吸收剂是化学吸收法改进的重要方向。离子液体由有机阳离子和无机或有机阴离子构成，是在100℃以下呈液体状态的盐类。离子液体结构可调的特点使其具有可设计性，可引入具有特殊性能的官能团，从而设计合成具有一定特殊功能的离子液体即功能化离子液体。胺基的功能化离子液体是增加胺基基团到离子液体中，使其带有碱性，可以提高对酸性气体，如二氧化碳的吸收效率。醇胺溶液是目前工业规模企业脱除二氧化碳常用的溶剂，尤其是甲基三乙醇胺，对于该吸收体系，研究改进的方向集中在甲基三乙醇胺溶液和一些其它试剂相复配，包括其它醇胺物质和离子液体等复配，从而一方面降低吸收剂再生能耗，一方面提高吸收剂吸收二氧化碳的速率。功能离子液体及其与甲基三乙醇胺等混合吸收剂的研究引起研究者极大的关注。
工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生二氧化碳2620kg，二氧化硫 8.5 kg，氮氧化物7.4 kg，以及10 kg左右的粉尘。可以看出生二氧化碳的产出量最大。同时，近年来，雾霾几乎席卷了大半个中国。持续的雾霾给人们的生活带来了不便，更加剧了人们对环境状况和自身身体健康的深度担忧。所以我国对烟气中的粉尘含量也提出了更严格的要求，要求在2017年7月1日后，燃煤烟气中的粉尘含量要低于50ppm。随着我国降碳和降尘压力的增加，企业也对脱碳和降尘越发重视，并正在积极着手治理。
降尘的方法根据采用的降尘器类型不同而分为干式降尘法和湿式降尘法。干式降尘所用的设备主要有重力沉降室、惯性除尘室、电除尘器、布袋除尘器、旋风除尘器、旋风分离器等。湿式降尘装置包括喷淋塔、离心雾化器、冲击式除尘器、文丘里除尘器、泡沫除尘器和水膜除尘器等。其中液体的雾化就是指在外加能量的作用下，液体在气体环境中变成液雾或其它小雾滴的物理过程，形成的尺寸均匀的液雾能够增加液体与气体之间的接触面积，促进吸收等过程。目前，雾化吸收技术已经应用在烟气脱硫的领域中。由于二氧化硫和二氧化碳均为酸性气体，所以雾化技术在脱碳工艺中也可以得到很好地应用。
雾化降尘技术最先源于水喷淋除尘，是从雨滴洗涤大气中的飘尘开始的，以后逐渐推广应用到控制污染物和粉尘。早在公元1946年，兰米尔就研究了大气尘粒在球状捕尘器上的碰撞，并以位流和滞流为依据成功地计算了碰撞效率。迄今，美国、日本、法国、英国、加拿大及前苏联等国家对此项技术均做过广泛而深入的研究。鉴于喷雾除尘技术的种种优点，国内对喷雾除尘技术越来越重视，研究也很活跃，并且从雾化降尘机理研究和雾化设备开发等方面对该领域的研究不断深入。
辽宁省是工业大省，燃煤用量非常大，故二氧化碳的排放量相当可观，同时伴随着大量的粉尘进入大气，因此二氧化碳的捕集和烟气降尘对我国进行大气环境治理是至关重要的。
工业燃煤烟气同时含有大量的二氧化碳和致霾产生的粉尘，所以能够同时完成脱碳和降尘的一体化工艺，将是一个新颖的有意义的优化过程。本发明就涉及一体化的以功能离子液体（氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐、氨乙基丁基咪唑六氟磷酸盐）和甲基三乙醇胺等的复配容易为吸收剂，在雾化的条件下同时完成吸收二氧化碳和耦合降尘的目的新工艺。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于，通过功能离子液体和有机醇胺的复配吸收体系作为固体颗粒的雾化降尘剂和二氧化碳吸收剂；在雾化分散的状态下，同时实现两个目的，一是降低粉尘在气相中的含量，一方面强化吸收剂对二氧化碳的吸收速率。
技术方案：
一种利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，该方法的步骤如下：
（1）将胺基功能离子液体和有机醇胺溶液互溶，配成复配溶液；
（2）所述复配溶液通入雾化装置雾化，分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相；
（3）将含尘二氧化碳气体引入雾化降尘吸收装置；使步骤（2）中产生的液相分散液滴与含有粉尘的二氧化碳气体相接触，在雾化条件下，耦合降尘和吸收两个过程，排出处理后的气体。
所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，优选地：所述胺基功能离子液体为氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐或氨乙基丁基咪唑六氟磷酸盐溶液；所述有机醇胺溶液为甲基三乙醇胺溶液。
所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，优选地：所述复配溶液复配物质质量百分比浓度为4～30%。
所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，优选地： 所述步骤（2）使用离心雾化装置，频率50-120赫兹。
所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，优选地：所述步骤（3）中粉尘浓度在气相中的浓度为60-100毫克/平方米，二氧化碳体积浓度为10-30%，含尘气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.2-1.8立方米/小时。
所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，优选地：在所述步骤（3）中，所述步骤（2）形成的雾化液滴与含尘气体逆向接触，经过降尘和脱碳后的气体从装置上端的出口排出。
所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，优选地：
该方法具体为：
将二氧化碳从气瓶经过减压阀通入到缓冲罐，同时空气经过空气泵已进入到缓冲罐，通过控制两股气体的流量，在缓冲罐里混合形成要求浓度的二氧化碳气体。
所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，优选地：本方法处理完的气体分为两股，一股进入到粉尘测定仪，测定出口气体含尘浓度；另一股气体再经过进一步深度除尘，进入到二氧化碳分析仪，测定气体中二氧化碳的含量。
所述吸收二氧化碳的方法所使用的装置：优选地：二氧化碳气瓶和空气压缩机汇聚连接至粉尘罐；所述粉尘罐联通至雾化室；所述雾化室出口依次连接缓冲罐和二氧化碳分析仪；
所述雾化室内设置有离心旋转式雾化器；离心旋转式雾化器上连接有循环水泵和循环水槽；离心旋转式雾化器上还连接有存放复配溶液的进料罐和输送复配溶液的进料泵。
优点和效果：
本发明提出的一种耦合降尘的雾化功能离子液体和有机醇胺溶液复配体系强化吸收二氧化碳方法，具有以下优点：
（1）对于同时存在烟尘和二氧化碳的气体，通过一套工艺流程，同时实现降尘和强化二氧化碳吸收的两个过程，提高了工艺过程的运行效率。
（2）对于二氧化碳吸收过程，由于耦合了降尘过程，一方面颗粒降尘过程中的扰动强化了气液传质，另一方面液体在颗粒上的附着，降低了雾沫夹带，提高了传质效率，从而强化了二氧化碳的传质速率。本发明已经证实了耦合过程对二氧化碳吸收速率的强化作用。
附图说明：
图1为耦合降尘的雾化功能离子液体和有机醇胺溶液复配体系强化吸收二氧化碳的流程图；
图2为耦合降尘的雾化功能离子液体和有机醇胺复配体系强化吸收二氧化碳的强化吸收速率图；
图3为耦合降尘的雾化功能离子液体和有机醇胺溶液复配体系强化吸收二氧化碳过程中粉尘脱除率图。
图中标注：1.二氧化碳气瓶 2.减压阀 3.流量计 4.空气压缩机 5.粉尘罐 6.搅拌器 7.搅拌转速控制器 8. 离心旋转式雾化器 9.雾化室 10.雾化器旋转速率控制器11.循环水泵 12.循环水槽 13.进料蠕动泵 14.进料罐 15.激光粉尘分析仪 16.缓冲罐18.除尘器 19.二氧化碳气体分析仪。
具体实施方式：
本发明的技术思想是采用胺基功能离子液体和有机醇胺溶液按质量比例进行复配，在雾化降尘吸收装置里，被离心雾化装置雾化形成液相分散体系，雾化液滴与含有粉尘和二氧化碳气体逆相接触，同时发生复配溶液对二氧化碳的吸收过程以及对粉尘的降尘脱除过程，降尘的过程对吸收速率起到强化作用。工艺流程简图如图1所示。
具体步骤如下：
（1）功能离子液体和有机醇胺溶液的复配体系制备：功能离子液体氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐或氨乙基丁基咪唑六氟磷酸盐和甲基三乙醇胺按比例互溶，配成复配物质质量百分比浓度为4-30%的复配溶液。
（2）复配溶液的雾化过程：复配溶液通入到离心雾化装置，雾化装置在50-120赫兹的频率范围内，把复配溶液分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相。
（3）粉尘浓度在气相中的浓度为60-100毫克/平方米，二氧化碳体积浓度为10-30%，含尘气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.2-1.8立方米/小时。
（4）在雾化降尘吸收装置内，液相分散液滴与含有粉尘的二氧化碳气体相接触，雾化液滴加速降尘，同时由于固体扰动，以及液滴吸附固体上抑制了雾沫夹带，使得雾化吸收二氧化碳的传质效果提高，传质过程被强化。强化吸收速率曲线如图2所示，粉尘降尘效率如图3所示。
采用耦合雾化降尘的功能离子液体和有机醇胺的复配体系吸收二氧化碳的方法，其特征在于：在雾化条件下，耦合了降尘和吸收两个过程，二者相互促进，具体工艺流程如下：
将二氧化碳从气瓶经过减压阀通入到缓冲罐，同时空气经过空气泵已进入到缓冲罐，通过控制两股气体的流量，在缓冲罐里混合形成要求浓度的二氧化碳气体。粉尘颗粒进入粉尘罐，和气体混合被吹送进入雾化装置。同时已经配好的功能离子液体和有机醇胺溶液的复配体系经过泵输送到雾化装置的液体进料口，在雾化装置的作用下，形成雾化液滴，液滴与含尘气体逆向接触，经过降尘和脱碳后的气体从装置上端的出口流出，降尘的粉尘和液相从装置下端流出。出口气体一股进入到粉尘测定仪，测定出口气体含尘浓度，从而确定降尘率，另一股气体再经过进一步深度除尘，进入到二氧化碳分析仪，测定气体中二氧化碳的含量，从而确定二氧化碳吸收速率。
如图1所示：二氧化碳由气瓶经减压输出，通过流量计控制流量进入缓冲罐，同时鼓风机输入空气，经过流量计控制进入缓冲罐和二氧化碳气体混合，控制二氧化碳的体积比，从缓冲罐输出气体流量范围控制在1.2-1.8立方米/小时，然后进入粉尘发生装置。粉尘盛在圆底烧瓶中，内设搅拌粉尘搅拌器，搅拌速度为150转/分钟，在气体带动下，形成粉尘浓度均匀的气-固体系，通过三通阀，在过程开始之初，进入到粉尘浓度测定仪，测定气体中粉尘的初始浓度，然后再进入到雾化吸收降尘装置。雾化吸收降尘装置的体积为5升，为有机玻璃结构，整个雾化、降尘、吸收过程可视。功能离子液体和有机醇胺溶液的复配液体从储罐中经泵输送到雾化吸收降尘装置，在一定频率的离心作用下，复配溶液被分散成为小液滴，在装置内与含尘气相混合物逆向接触，发生传质过程。接触后的气固相在进入一个三通阀，按时开关，测定气相中粉尘的浓度，同时经过深度除尘装置后进入到二氧化碳分析仪中分析气体中二氧化碳的含量，含降尘颗粒的液体从下端流出取样后，经激光粒度分析分析固体粒径分布。
如图2所示，图2中有三条线，线1表示为没有耦合雾化沉降的单一的雾化吸收二氧化碳的速率线，线2表示在雾化频率为50Hz的条件下氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐和甲基三乙醇胺溶液在耦合降尘下的雾化吸收二氧化碳的速率线，线3为雾化频率为120Hz的条件下氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐和甲基三乙醇胺溶液在耦合降尘下的雾化吸收二氧化碳的速率线，由图2可以明显的看出，斜率的大小顺序是：线3>线2>线1。即表明耦合降尘过程的存在，强化了二氧化碳在雾化状态下的吸收速率，而且随着雾化器频率的增加，强化传质作用增加明显。
如图3所示，图中横坐标表示时间，单位为分钟，纵坐标表示粉尘脱除率，粉尘脱除率用一减去即时浓度与初始气相中的粉尘浓度之比表示，此值越大表示脱除的粉尘量越多。图3中线的编号与图2的标号所代表的体系和过程相同，从图中可以看出，脱除率的大小顺序是：线3>线2。即表明在吸收的过程中，同时实现对固体颗粒的降尘，而且降尘频率越高降尘效果也越好。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制。
实施例1
功能离子液体氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐和甲基三乙醇胺按质量比1:30的比例互溶，配成复配物质浓度质量百分比为4%的复配溶液。复配溶液以一定的流量通入到离心雾化装置，雾化装置在50赫兹的频率范围内，把复配溶液分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相，混合粉尘浓度为60毫克/立方米，二氧化碳含量为10%的气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.2立方米/小时，气液逆向接触，发生降尘以及二氧化碳的吸收过程，二氧化碳的吸收速率为0.085摩尔/秒，降尘率为 78.2%。
实施例2
功能离子液体氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐和甲基三乙醇胺按质量1:30的比例互溶，配成复配物质浓度质量百分比为20%的复配溶液。配溶液以一定的流量通入到离心雾化装置，雾化装置在50赫兹的频率范围内，把复配溶液分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相，混合粉尘浓度为120毫克/立方米，二氧化碳含量为100毫克/立方米的气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.2立方米/小时，气液逆向接触，发生降尘以及二氧化碳的吸收过程，二氧化碳的吸收速率为0.25摩尔/秒，降尘率为79.1%。
实施例3
功能离子液体氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐和甲基三乙醇胺按质量1:30的比例互溶，配成复配物质浓度质量百分比为10%的复配溶液。配溶液以一定的流量通入到离心雾化装置，雾化装置在120赫兹的频率范围内，把复配溶液分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相，混合粉尘浓度为100毫克/立方米，二氧化碳含量为25%的气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.8立方米/小时，气液逆向接触，发生降尘以及二氧化碳的吸收过程，二氧化碳的吸收速率为0.14摩尔/秒，降尘率为81.3%。
实施例4
功能离子液体氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐和甲基三乙醇胺按质量1:15的比例互溶，配成复配物质浓度质量百分比为10%的复配溶液。配溶液以一定的流量通入到离心雾化装置，雾化装置在120赫兹的频率范围内，把复配溶液分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相，混合粉尘浓度为100毫克/立方米的，二氧化碳含量为10-30%的气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.2立方米/小时，气液逆向接触，发生降尘以及二氧化碳的吸收过程，二氧化碳的吸收速率为0.254摩尔/秒，降尘率为83.3%。
实施例5
功能离子液体氨乙基丁基咪唑六氟磷酸盐和甲基三乙醇胺按质量1:30的比例互溶，配成复配物质浓度质量百分比为4%的复配溶液。配溶液以一定的流量通入到离心雾化装置，雾化装置在100赫兹的频率范围内，把复配溶液分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相，混合粉尘浓度为100毫克/立方米，二氧化碳含量为25%的气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.8立方米/小时，气液逆向接触，发生降尘以及二氧化碳的吸收过程，二氧化碳的吸收速率为0.086摩尔/秒 ，降尘率为81.0%。
实施例6
功能离子液体氨乙基丁基咪唑六氟磷酸盐和甲基三乙醇胺按质量1:20的比例互溶，配成复配物质浓度质量百分比为30%的复配溶液。配溶液以一定的流量通入到离心雾化装置，雾化装置在50赫兹的频率范围内，把复配溶液分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相，混合粉尘浓度为100毫克/立方米，二氧化碳含量为25%的气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.8立方米/小时，气液逆向接触，发生降尘以及二氧化碳的吸收过程，二氧化碳的吸收速率为0.23摩尔/秒，降尘率为78.6%。
Claims (8)
1.一种利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，其特征在于：
该方法的步骤如下：
（1）将胺基功能离子液体和有机醇胺溶液互溶，配成复配溶液；
（2）所述复配溶液通入雾化装置雾化，分散成粒径均匀的小液滴，形成液相分散相；
（3）将二氧化碳从气瓶经过减压阀通入到缓冲罐，同时空气经过空气泵已进入到缓冲罐，通过控制两股气体的流量，在缓冲罐里混合形成要求浓度的二氧化碳气体；粉尘颗粒进入粉尘罐，和气体混合被吹送进入雾化装置；
（4）将含尘二氧化碳气体引入雾化降尘吸收装置；使步骤（2）中产生的液相分散液滴与含有粉尘的二氧化碳气体相接触，在雾化条件下，耦合降尘和吸收两个过程，排出处理后的气体。
2.根据权利要求1所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，其特征在于：所述胺基功能离子液体为氨乙基丁基咪唑四氟硼酸盐或氨乙基丁基咪唑六氟磷酸盐溶液；所述有机醇胺溶液为甲基三乙醇胺溶液。
3.根据权利要求1所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，其特征在于：所述复配溶液复配物质质量百分比浓度为4～30%。
4.根据权利要求1所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，其特征在于： 所述步骤（2）使用离心雾化装置，频率50-120赫兹。
5.根据权利要求1所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，其特征在于：所述步骤（3）中粉尘浓度在气相中的浓度为60-100毫克/平方米，二氧化碳体积浓度为10-30%，含尘气体进入到雾化降尘吸收装置，流量范围在1.2-1.8立方米/小时。
6.根据权利要求1所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，所述步骤（2）形成的雾化液滴与含尘气体逆向接触，经过降尘和脱碳后的气体从装置上端的出口排出。
7.根据权利要求1所述利用复配溶液耦合雾化降尘同时吸收二氧化碳的方法，其特征在于：本方法处理完的气体分为两股，一股进入到粉尘测定仪，测定出口气体含尘浓度；另一股气体再经过进一步深度除尘，进入到二氧化碳分析仪，测定气体中二氧化碳的含量。
8.一种如权利要求1所述吸收二氧化碳的方法所使用的装置：其特征在于：二氧化碳气瓶和空气压缩机汇聚连接至粉尘罐；所述粉尘罐联通至雾化室；所述雾化室出口依次连接缓冲罐和二氧化碳分析仪；
所述雾化室内设置有离心旋转式雾化器；离心旋转式雾化器上连接有循环水泵和循环水槽；离心旋转式雾化器上还连接有存放复配溶液的进料罐和输送复配溶液的进料泵。
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